晏　茂　李元英

摘要:半刚性基层沥青路面具有承载力高、行车舒适等优点,但由于半刚性材料收缩性大的特点,基层容易开裂并最终会反射到沥青面层上,使半刚性基层产生收缩裂缝,并最终导致沥青混凝土面层开裂,从而大大地缩短沥青混凝土路面的使用寿命。本文根据多年的路面施工经验,对半刚性基层裂缝的原因及处治方法进行综合分析。

关键词:沥青路面 反射裂缝 防治措施

中图分类号:U416文献标识码:A文章编号:1006-8937(2009)03-0053-02

半刚性基层沥青路面由于具有强度高、造价低、整体性及水稳定性好等优点,在我国公路建设中得到了广泛的运用;但半剐性基层在运营期间易产生干缩裂缝和低温收缩裂缝,在交通荷载和温度荷载的重复作用下,半刚性基层的这种收缩裂缝很容易扩展到沥青面层而形成反射裂缝(reflection crack)。反射裂缝一旦产生,不仅影响路面的美观和行车舒适性,更重要的是大大的缩短了路面的使用寿命。

1 反射裂缝的常见类型

1.1 荷栽型反射裂缝

由于基层开裂,铺筑在其上的沥青面层在裂缝处产生应力集中。汽车驶经裂缝的过程中时,在车辆荷载作用的过程中,面层受到两次剪切一次弯拉,当行车荷载的反复作用使裂缝处面层底部所受应力超过材料的强度极限后,面层裂缝便随之产生并逐渐向上扩展,形成荷载型反射裂缝。

1.2 温度型反射裂缝

由于半刚性材料具有不同的热胀冷缩性,沥青面层在日变化温度作用下,顶面温度变化对底面大,在夜间温度下降变化的过程中,它们的热学性质会发生相互作用,就会在基层内部产生较大的温度应力,从而使半刚性基层处于受拉状态。而水泥稳定粒料线膨胀系数在(1.0～1.5)?0之间,当半刚性基层混合料抗拉强度小于收缩应力时,使基层开裂,最终反射到面层形成温度型反射裂缝。

2反射裂缝产生的原因和对路面的危害

2.1 反射裂缝产生的原因

由于半刚性基层材料属于水硬性材料,当基层建成以后,基层内部的物理化学反应要持续一个相当长的时间,基层材料的强度和刚度也随着龄期的增长而不断加强。所以这一类材料对温度和湿度的变化都比较敏感。如果施工条件不好,就有可能导致基层产生干缩性温缩裂缝,而其下卧层与该层之间的磨阻作用抑制了其收缩,从而在该层内部产生拉应力,当此应力超过其抗拉强度时则发生断裂。这种裂缝一般发生在使用期间的初冬季节,也可能发生在施工过程中基层铺筑后到尚未覆盖沥青面层之前。

当半刚性基层开裂以后,在沥青面层与半刚性基层层间的裂缝处形成一个薄弱点,在使用过程中,由于荷载应力与温度应力的共同作用,在该点的沥青面层底面产生应力集中,如沥青面层较薄则会引起开裂。随之,在行车和大气因素的反复作用下,裂缝逐渐向上扩展,直至沥青表面。这种裂缝通常称为反射裂缝。反射裂缝一般为横向裂缝,其间距大小取决于当地的气候条件、沥青面层的厚度,以及半刚性基层和沥青层材料的抗裂性能。当日温差变化较大,沥青面层较薄和半刚性基层和沥青面层材料的抗裂性能较差时,则裂缝间距较小;反之,则较大。

2.2 反射裂缝对路面的危害

反射裂缝会对路面性能和耐久性产生不利的影响。这些不利影响包括:防水性降低。路表出现任何裂缝,都会使路表水有机会进入路面结构内部,甚至进入对湿度敏感的路基土中。引起路基过大压应力。由于存在裂缝,造成路面板体不连续,在行车荷载作用下将加大板体边缘的变形,从而在裂缝处传递过大压力至路基顶面。增大路面应力和变形。上述的路面结构板体边缘变形,会在路面结构内(尤其基层)产生很大的应力和变形,在行车荷载作用下将缩短这些结构层的寿命。磨耗层沿裂缝的破坏。在车辆、水分、霜冻等因素的综合作用下,磨耗层常会沿裂缝发生骨料或小块沥青的剥落。反射裂缝不仅使路面使用性能老化,影响行车舒适性,而且导致路表水下浸,影响到路基的强度与稳定性。更为重要的是,在行车荷载反复作用和周期性变化环境温度的影响下,常常使得裂缝迅速向四周扩展,大大缩短了罩面层的使用寿命。

因此,反射裂缝是高速公路沥青路面所面临的一大技术难题。影响半刚性基层沥青路面开裂的因素很多,各种因素之间的相互作用也十分复杂,只有进行大量实验分析和实践总结,才能找准原因,并有针对性地进行防治。

3 预防半刚性基层沥青路面反射裂缝的主要措施

目前国内外对减少半刚性路面裂缝的主要思路是:一是使用防裂效果更好的面层或基层材料;二是通过增加沥青面层厚度以防止基层反射裂缝;三是从结构本身人手防止和减少半刚性沥青路面基层的反射裂缝。在沥青面层和半刚性基层之间设置一层弹性模量低、韧性好的材料作为应力吸收层以吸收半刚性基层裂缝,目前这种方法是国内外工程实践中用得较多的一项工程措施。针对半刚性基层沥青路面反射裂缝采取的具体措施如下。

3.1 增加沥青面层的厚度

通过增加沥青面层厚度以防止基层反射裂缝,国际上通用的结论是需要将沥青面层增加至15～25cm。增加加铺层厚度,一方面可以减少旧面层的温度变化,并降低加铺层的拉应力,另一方面可以增加路面结构的弯曲刚度,降低接缝处的弯沉差,减少加铺层的剪切应力。同时,可以延长其疲劳断裂寿命。

但单纯依靠增加加铺层厚度的方法有其弊端:一方面增加加铺层厚度可能会受到路面标高的限制;另一方面增加加铺层厚度,必将大幅度增加路面造价,而且在夏季高温时沥青混合料高温蠕变易产生车辙,同时会削弱由于旧水泥混凝土板作基层而产生的强基薄面的优势,故而这一方法有很大的局限性。

从已铺筑的高速公路的实例来看,裂缝情况随着面层厚度的加大有明显的改善,但是,车辙随着路面厚度的增加也随之增加,如广深高速公路,路面总厚度为100～110cm。这个结构当初是外商出于商业目的确定的,是不合理不经济的结构,从现在的情况来看,表面车辙严重,下雨后积水,出现大面积松散,返修率高。从车辙调查来看,这条路上车辙最大深度达到17mm,平均车辙深度为10mm,其主要原因是沥青层太厚影响了路面的高温稳定性。

由上可以看出,通过较厚的沥青面层来防止和减少反射裂缝,在经济上不合算,还可能导致其他路面病害的发生。

3.2 进行半刚性材料的合理组成设计

通过进行半刚性基层材料的合理设计,如调整结合料用量与比例,增加粗骨料含量并严格设计级配,以尽可能的减小其温缩和千缩系数,增加半刚性基层材料的抗裂性能,但是不能从根本上消除半刚性材料的开裂而导致的路面反射裂缝。

3.3 在面层与基层之间增加级配碎石层

采用具有一定厚度的优质级配碎石作为上基层,而用半刚性材料作为下卧层,这种上柔下刚式的“组合基层”在很大程度上能够防止和减少半刚性基层反射裂缝,同时级配碎石基层还能充当具有排水功能的基层0级配碎石层是由特粗式级配沥青碎石混合料所组成,具有20%～35%的空隙率,它提供了一种散逸运动的方式,能够把交通荷载与环境温度作用下所引起的原水泥混凝土路面板产生的运动消散掉。

目前国内将级配碎石作为半刚性基层与沥青面层之间的中间层的设计尚不多见,但在美国、澳大利亚以及南非已作为减少沥青路面反射裂缝的措施获得了较多应用,且效果较好。但是与其他方法相比,增加级配碎石层的经济性较差。

3.4 加铺土工织物或格栅

包括聚丙烯或聚醋织物和聚乙烯、聚丙烯或聚醋无纺织物。无纺织物厚度为0.4～4mm,模量为10～160MPa,临界应力5～20MPa,临界应变4o%～140%。织物的厚度较薄些,为0.4～0.7mm,模量则高些,为400～1500MPa。临界应力和应变相应为40～140MPa和8%～15%。无纺织物夹层的主要作用与橡胶沥青应力吸附夹层相似。而织物由于模量稍高,可对加铺层起少量加筋作用。

在半刚性基层顶或沥青之间设置各种土工合成材料,可以提高沥青混合料的抗拉强度与抗变形能力。20世纪80年代初,英国诺丁汉大学布朗教授经过三、四年的试验和研究将塑料格栅应用于沥青路面。他通过对比加铺和未加铺土工格栅的沥青路面,认为前者比后者可以推迟疲劳裂缝出现达19倍,可以减少车辙50%。

沥青面层的抗裂强度,土工织物中间层国外自80年代以来广泛使用,多用于具有严重裂缝旧沥青路面或水泥路面上加铺沥青新面层的中间防裂层,品种多为编织尼龙、无纺聚丙烯和玻璃纤维几种,其中以无纺聚内烯(Petromat)效果较好,总的研究结果表明防裂效果有好有坏,一般来说土工织物中间层对于垂直位移和水平位移较大(温缩严重)的情况效果不大,此外其防裂效果可能较短暂。

格栅包括聚丙烯或聚醋土工格栅、玻璃格栅和金属格栅。土工格栅的厚度为0.8～11mm,模量为900～2500MPa,临界应力和应变与织物相近。金属格栅的厚度为2～4mm,其模量可达到8000～10000MPa。刚度大的夹层对于降低加铺层内因温度下降而引起的应力和应变的作用不如软夹层,但对于降低荷载产生的应力应变的作用则远大于软夹层,采用复合式夹层(下层为应力吸收层,上层为金属格栅),虽然可以像软夹层那样减少温度引起的反射裂缝,但仍保留了软夹层不能降低加铺层荷载应力的缺点。由此,各种夹层具有不同的刚度,在减少反射裂缝方面所起作用也不同。软夹层在减少温度引起的反射裂缝中可起到重要作用,但在降低荷载应力方面作用不大,甚至可能有不良影响,而刚(劲)度与沥青加铺层材料相近的硬夹层,则对降低荷载产生的反射裂缝最为有效,但在减少温度引起的反射裂缝方面不如软夹层有效。因而,在选择夹层类型时,应对诱发反射裂缝的主要原因以及不行具体分析。

3.5 基层预切缝

基层预切缝方法是在铺沥青面层前将半刚性基层按一定间距设置预锯缝,且设法让这种裂缝仅保留在基层本层,而不反射到面层。基层采用预锯缝来减少沥青面层反射裂缝的措施在国内外工程实践中有一定的应用,且国外应用也较早,如德国1986年设计规范规定,当沥青面层厚度小于或等于14cm时,基层厚度不管多大,只要基层抗压强度不大于12MPa,基层必须预切缝;前苏联为了避免薄沥青面层下水泥稳定土基层产生不规则的紊乱的裂缝反射到沥青面层上,也为了减少裂缝的破坏作用,建议在水泥土基层上每隔8～12m作一假缝,深6～8cm,缝宽10～12mm。它的防裂原理主要是通过锯缝改善基层约束条件,从而在一定程度上释放温度应力来达到防裂目的。同时,在锯缝防裂基础上铺设一定宽度土工织物,既起到了防渗作用,又在一定程度上缓解了裂缝处沥青面层应力集中,从而延缓或消除了面层反射裂缝的产生。

4 结束语

随着国民经济的发展,为满足交通运输发展的需要,许多80年代、90年代修建的道路已进人大修改建期,如何充分利用原有道路进行改造,发挥更好的社会经济效益,已是非常紧迫的任务。结合实践总结以下几点供参考:第一,理论计算与实践紧密结合,从经济合理、安全可靠、可操作性强等因素中找到其切人点;第二,加强对旧路的检测与评价,量化路面现状,合理分段,路面改造结构形式要有利于施工;第三,旧路改造相当复杂工作内容多,牵涉面广,做到动态设计与动态施工有机结合;第四,施工队伍必须具备较高的技术素质和良好的施工装备;第五,旧路改造属于“细活”工程,监理及业主等监督管理部门须严格控制材料和施工质量;第六,合理的设计和施工周期是优良产品的有力保障。

实践证明,虽然这些措施达到了一定的防裂效果,但是它们的防裂效果和机理不相同,且各类措施防裂效果很有限。因此,应根据路面结构的实际情况,综合利用多种防裂措施与方法以达到最佳的防裂效果。

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